Une description des processus de diffusion verticale d'eau et énergie dans le sol est nécessaire pour estimer l’intensité des flux atmosphériques (chaleurs sensible et latente en surface) et la partition du forçage météorologique (rayonnement et précipitations) entre les différents réservoirs de surface (ex : infiltration vs. ruissellement).
Pour décrire ces processus, les paramétrisations de surface utilisées en prévision numérique du temps s’appuient généralement sur des schémas à validité locale, généralisés pour reproduire les échanges en surface de façon statistique à l'échelle de la maille d’un modèle numérique. Les paramètres de tels schémas pouvant être utilisés à l'échelle non-locale ne sont pas forcément liés de façon directe aux processus physiques et sont dits "paramètres effectifs".
J’ai développé pour le modèle du CEPMMT une nouvelle paramétrisation du sol que j’ai validée en reproduisant plusieurs exercices d’évaluation effectués au cours des dix dernières années. L’apport des révisions introduites, en particulier concernant la répartition des flux d’eau entre ruissellement superficiel et drainage profond dans le sol, a montré un comportement de ce nouveau schéma en meilleur accord avec les données d’observations directes des débits de fleuves du GRDC ainsi qu’avec des estimations indépendantes du contenu en eau des grands bassins continentaux obtenu en utilisant le bilan d’eau atmosphérique (Hirschi et al. 2006).
Les travaux présentés dans Balsamo et al. (2009, JHM, en annexe), décrivent en détail les stratégies utilisées pour l'implémentation et la validation d'un schéma de surface à l'échelle globale.
J'ai été le principal investigateur de ce premier travail de recherche au CEPMMT qui a amené à l'implémentation opérationnelle d'un schéma de surface amélioré pour les composantes de l'hydrologie du sol. Les points les plus originaux de ce travail ont concerné l'évaluation de l'impact à plusieurs échelles spatiales et temporelles (du site de mesure à l'ensemble du globe) et avec plusieurs modes de simulations (forcées par et couplées avec le modèle de prévision du temps du CEPMMT).
Ces développements ont été stimulés par certaines faiblesses connues de l'hydrologie du schéma de surface du CEPMMT (TESSEL) (van den Hurk et al. 2000): spécifiquement le choix d'une texture du sol global unique, qui ne caractérise pas les différents régimes d'humidité du sol, et une description du ruissellement de type « hortonien » (d’après Horton, 1937), basé sur l’infiltration maximale dans le sols, qui produit très peu de ruissellement de surface. Une nouvelle formulation de la conductivité et de la diffusivité du sol, variable spatialement en fonction de la texture du sol dominante (fournie par la base de données de FAO en 2000) et une description du ruissellement de surface basé sur l'approche de type « capacité variable d'infiltration » (VIC, d’après Wood et al. 1992) en considération de la
29 variabilité sous-maille de l’eau du sol, ont été proposées.
Le schéma révisé (HTESSEL) que j’ai développé a ainsi répondu aux attentes pour ce qui concernait l'amélioration de l'évolution de l'eau du sol, tout en préservant l'évaporation de surface, permettant ainsi l'assimilation conjointe de plusieurs types d'observations en réduisant les incohérences entre évaporation et eau du sol. En effet, Seuffert et al. (2004) avaient montré les difficultés à assimiler des observations sensibles à l’eau du sol (telles que les températures de brillance dans les micro-ondes) en même temps que des observations sensibles à l’évaporation (telle que les températures à 2m du réseau SYNOP). De manière similaire, Drusch et Viterbo (2007) avaient montré également que l’eau du sol obtenue par l’analyse pour réduire les erreurs de prévisions de la température et de l’humidité à 2 m ne se comparait pas favorablement à des mesures in-situ.
Ainsi le développement de HTESSEL a concerné en priorité l’hydrologie du sol pour permettre d’améliorer les simulations de l’eau du sol tout en gardant une qualité équivalente pour les flux d’évaporation.
Figure 7 : Evolution de l’eau du sol dans la couche racinaire pour le schéma TESSEL (en verte) et HTESSEL (en bleu) comparée aux observations in-situ (en rouge) pour un site du Sahel (SEBEX) et un site de la forêt boréale (BERMS).
Un site du Sahel (SEBEX) et un site de la forêt boréale (BERMS) ont été choisis pour montrer les effets de la nouvelle hydrologie dans des climats extrêmement différents. La capacité du schéma HTESSEL à reproduire des anomalies d’eau du sol à l’échelle de plusieurs années a été mise en évidence (Figure 7) par des évaluations locales en mode forcé.
Pour ce qui concerne le ruissellement et le drainage, la validation à l'échelle locale n'est pas suffisante pour qualifier un changement à l'échelle globale. La validation a donc consisté en deux expériences proposées dans des projets internationaux d'inter-comparaison des modèles où de plus grands domaines sont pris en compte : le projet global pour l'humidité du sol, deuxième initiative (GSWP-2, Dirmeyer et al. 2002) et le projet dit « Rhône Agrégation » (RhoneAgg, Boone et al. 2004) fournissant les données de forçage pour les modèles de surface. Dans les simulations GSWP-2, le stockage d'eau et le débit de la rivière sont examinés sur un certain nombre de bassins. La cohérence hydrologique aux échelles de temps
30 mensuelles a été vérifiée. Les simulations « Rhone-Agg » ont été utilisées pour examiner la composante rapide des eaux de ruissellement à l'échelle de temps journalière.
Le couplage entre la surface terrestre et l'atmosphère est également étudié. Il s'agit d'une étape essentielle, afin d'évaluer l'impact de la nouvelle paramétrisation. Cette configuration, dite de« simulations en mode climat », où le modèle de prévision numérique du temps simule l’évolution atmosphérique sur des longues échéances (ici 13-mois) forcé uniquement par les températures de l’océan, permet d'évaluer l'impact des modifications de surface sur l'ensemble des variables moyennes du modèle (précipitations, nuages, bilan radiatif, etc.).
Les moyennes annuelles et saisonnières sont comparées à un certain nombre de jeux de données indépendants avec un accent plus particulier sur les mois de l’été boréal pour lequel un impact plus important de l'hydrologie du sol est attendu.
Figure 8 : Evaluation des erreurs annuelles pour la température à 2m dans des simulations de 13-mois en mode « océan-forcé » pour comparer les schémas TESSEL (a) et HTESSEL (b). Les erreurs sont évaluées par rapport à l’analyse de température à 2m d’ERA-Interim (moyennée entre le 2000-09-01 et le 2001-08-31).
Sur la Figure 8, la réduction des erreurs dans la température a 2m peut être appréciée aux longues échéances de prévisions (saisons). Le travail fait au CEPMMT a été introduit aussi dans le système « EC-Earth » (version « climat » du modèle du CEPMMT, Hazeleger et al. 2010), qui participe au rapport du Groupe d'experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC).
Enfin, comme en prévision numérique le modèle est sujet à corrections périodiques par l'assimilation de données, une évaluation globale du schéma HTESSEL est fournie par la comparaison des incréments d'analyse pour la surface entre l’ancienne version et la nouvelle. Une réduction des incréments moyens entre les deux versions du modèle peut être interprétée comme une amélioration globale de la représentation de la surface (réduction des erreurs systématiques de modélisation). L'ensemble des démarches mises en place dans cette étude a permis de montrer l’intérêt de la stratégie de développement et validation proposée pour les paramétrisations de surface au CEPMMT (Figure 5) en allant de l'échelle locale a l'échelle globale et du mode forcé au mode couplé, pour appréhender par étapes la complexité des interactions surface-atmosphère.
31 réalisée par le Dr. Clement Albergel, sur ma proposition, dans laquelle les changements du cycle saisonnier de l’eau du sol ont été évalués. La révision de cette paramétrisation proposée par Balsamo et al. (2011) se base sur le constat que l'évaporation des zones de sol nu correspond à un mécanisme physique différent des zones à forte densité de végétation.
La vaporisation de l'eau dans les pores du sol a lieu dans une couche mince à proximité de l'interface surface-atmosphère. Mahfouf et Noilhan (1991) ont comparé plusieurs formulations et montrent que l'évaporation du sol nu reste active jusqu’au complet assèchement du sol (humidité du sol superficiel proche de zéro).
Au contraire, dans le schéma TESSEL (van den Hurk et al. 2000) le lien entre l'humidité du sol et l'évaporation a été supposé linéaire entre le point de flétrissement et la valeur à la capacité au champ, négligeant le fait que la notion de point de flétrissement s'applique uniquement à des zones de végétation.
La formulation de l'évaporation du sol nu a été modifiée dans la dernière version du schéma HTESSEL en se basant sur des études bibiliographiques, et pour permettre une transition linéaire entre les zones de végétation et le sol nu.
L’impact dans l’eau du sol est montré sur la Figure 9 qui confirme un meilleur accord de la nouvelle paramétrisation validée avec les observations du réseau américain SCAN (présenté au Chapitre 1).
Figure 9 : En haut la fraction de sol nu dans HTESSEL et la distribution des stations de mesure SCAN (à gauche), et l’impact du changement de l’évaporation du sol nu sur les erreurs (RMSD) d’eau du sol simulée par le modèle en fonction de la fraction de sol nu (à droite), les points indiquant le nombre de stations SCAN. En bas les champs d’eau du sol superficiel sur l’ensemble des Etats-Unis simulés par l’ancienne (à gauche) et la nouvelle (à droite) paramétrisation (pour le mois de Aout 2010).
32